[发明专利]超高电荷密度驻极体及其制作方法

说明书

公开了一种超高电荷密度驻极体。所述超高电荷密度驻极体包括具有多个侧壁的三维结构。在所述多个侧壁上形成多孔二氧化硅膜，并且所述多孔二氧化硅膜是利用多个正或负离子充电的。

背景技术

驻极体（electret）是具有准永久嵌入式静电荷和/或准永久极化偶极子的介电材料。特别地，在许多商业和技术应用中利用驻极体材料，这些商业和技术应用诸如例如是静电感测应用（例如，驻极体麦克风、复印机）、信号传输应用（例如，在30kHz及以下处进行操作的ULF/VLF发射机）以及能量采集应用（例如，从诸如环境振动、风、热或光之类的外部源导出能量）。

驻极体材料的性能与该材料的每单位空间体积的电荷密度（或C/m³）成比例。然而，由于静电荷经常仅可以被放置在所涉及的驻极体材料的表面上，因此经常按照单位空间面积（或C/m²）表达这些驻极体材料的电荷密度。特别地，在某些应用中利用具有更高电荷密度的现存驻极体材料以最大化所涉及的应用设备的性能。然而，驻极体的最大电荷密度主要由驻极体的介电材料与周围空气之间的电击穿阈值水平限制。

传统的驻极体研究和开发已经主要被限制到具有约30mC/m²的最大电荷密度的二维或平坦表面材料。然而，由于离子化电荷的浅穿透深度，这些二维表面的电荷密度被认为相对较低。特别地，在许多商业和防御应用中，要求利用具有比30mC/m²高得多的电荷密度的驻极体材料的电子或机电设备。例如，在被用于关键长距离和水下通信的VLF信号传输应用中，要求利用具有大于1C/m²的等效电荷密度的驻极体材料的VLF传输设备。在这点上，对于其中期望穿过某些导电介质（例如水、金属、岩石、建筑材料等等）的信号渗透的应用而言，ULF/VLF传输是特别有用的。而且，ULF/VLF传输对于长程通信应用而言非常有用，这是因为这些频率范围中的信号可以耦合到虚拟的电离层到地“波导”，该“波导”环绕地球并以非常少的衰减绕地球传播这种信号。

驻极体材料一般被分离成两个组：有机驻极体材料（例如，聚合物）；以及无机驻极体材料（例如，二氧化硅）。聚合物驻极体材料一般具有低电荷密度（小于5mC/m²）。而且，聚合物材料不与传统的微机电系统（MEMS）制造过程兼容，并因而可能例如在阵列的扩缩中呈现令人畏惧的设计挑战。

二氧化硅驻极体材料的显著优势是：它们与现存的硅MEMS制造过程兼容，且典型地具有比有机驻极体材料（诸如，聚合物）高得多的电荷密度（例如，34mC/m²）。而且，二氧化硅驻极体材料相比于聚合物驻极体材料的另一个优势是：二氧化硅驻极体材料可以被嵌入到单极或偶极电荷内。

出于上面声明的原因以及出于对本领域技术人员来说在阅读和理解本说明书后将变得显而易见的下面声明的其他原因，在本领域中存在针对非常高（例如，超高）电荷密度驻极体的需要。

发明内容

本文中所公开的实施例呈现了用于制造超高电荷密度驻极体的技术。在本公开的一个示例实施例中，通过将高表面对体积比的三维硅结构与高表面积的多孔二氧化硅膜进行组合以大幅增加由此形成的驻极体的电荷密度（例如，相比于传统驻极体的电荷密度），来形成多个超高电荷密度驻极体。具体地，针对一个示例实施例，对硅结构（例如硅晶片、管芯等等）进行蚀刻以形成多个正锥形侧壁（例如，金字塔形），所述正锥形侧壁产生大幅增加所涉及的硅结构的表面对体积比的三维纹理表面。在锥形侧壁的多个表面上形成多孔二氧化硅膜，并且在锥形侧壁的多个表面上的所述多孔二氧化硅膜中生成正（或负）电荷，这在所涉及的硅结构的表面上产生多个超高电荷密度驻极体。

附图说明

当鉴于优选实施例和以下附图的描述而考虑时，本公开的实施例可以被更容易地理解，并且其进一步优势和用途可以更加显而易见，在附图中：

图1是图示可被利用以实现本发明的一个示例实施例的硅结构的横截面侧视图的结构图。

图2是图示可被利用以实现本发明的一个示例实施例的第二硅结构的横截面侧视图的结构图。